Foto: IFJ PAN

Úvod do problematiky srážek protonů

Vysokoenergetické srážky protonů lze přirovnat k vřelému moři kvarků a gluonů, včetně krátce žijících virtuálních částic. Na první pohled se toto extrémní prostředí zdá mnohem složitější než pozdější fáze, kdy méně a stabilnější částice odlétají od místa srážky. Zdálo by se, že částice v této rané fázi se budou chovat velmi odlišně. Avšak data z Velkého hadronového urychlovače (LHC) ukazují, že tato intuice je zavádějící. Výsledky jsou lépe vysvětleny zdokonaleným modelem, který zachycuje, jak srážky protonů skutečně probíhají.

Autor původního článku: redakce

Nový výzkum entropie ve srážkách protonů

Nejnovější zjištění na toto téma byla publikována v časopise Physical Review D profesorem Krzysztofem Kutakem a doktorem Sandorem Lokosem z Institutu jaderné fyziky Polské akademie věd (IFJ PAN) v Krakově. Jejich práce se zaměřuje na porovnání entropie v rané fázi kvark-gluon s entropií částic, které jsou nakonec produkovány a měřeny.

„Ve vysokoenergetické fyzice se již nějakou dobu používají takzvané dipólové modely k popisu evoluce hustých gluonových systémů. Tyto modely předpokládají, že každý gluon může být reprezentován párem kvark-antiquark, který tvoří dipól dvou barev – zde nemluvíme o obyčejných barvách, ale o barevném náboji, což je kvantová vlastnost gluonů. Dipólové modely založené na průměrném počtu hadronů produkovaných při srážce nám umožňují odhadnout entropii partonů,“ vysvětluje profesor Kutak, který studuje entropii kvark-gluonových systémů více než deset let.

Vylepšení dipólových modelů novými myšlenkami

Před dvěma lety profesor Kutak a doktor Pawel Caputa ze Stockholmské univerzity představili aktualizovanou verzi dipólového modelu. Začali s osvědčeným modelem, který popisuje, jak se gluonové systémy vyvíjejí, a považovali ho za dominantní příspěvek. Poté přidali další efekty, které se stávají důležitými při nižších energiích srážek, kde je produkováno méně hadronů. Tento pokrok byl možný, protože výzkumníci identifikovali vazby mezi rovnicemi používanými v dipólových modelech a těmi, které se nacházejí v teorii složitosti.

Pro testování tohoto zobecněného dipólového modelu doktor Lokos navrhl porovnat ho s reálnými experimentálními daty z LHC. Měření z experimentů ALICE, ATLAS, CMS a LHCb byla zahrnuta. Společně tato data pokrývají široký rozsah energií srážek, od 0,2 teraelektronvoltů až po 13 TeV, což je nejvyšší energie, kterou lze v současnosti dosáhnout na LHC.

„V našem článku ukazujeme, že zobecněný dipólový model popisuje existující data přesněji než předchozí dipólové modely a navíc funguje dobře v širším rozsahu energií srážek protonů,“ říká profesor Kutak.

Entropie a základní pravidlo kvantové mechaniky

Toto vyvolává klíčovou otázku. Liší se entropie během fáze dominované kvarky a gluony ve srážce protonů od entropie hadronů, které později uniknou z oblasti srážky? Podle Kharzeev-Levinova vzorce pro entropii by tomu tak být nemělo. Nová analýza toto předpověď potvrzuje.

Zatímco tento výsledek některé fyziky překvapuje, jiní ho vidí jako přirozený důsledek jednoho z nejzákladnějších principů kvantové mechaniky známého jako unitarita. Unitarita může znít abstraktně, ale samotná myšlenka je přímočará. Rovnice, které popisují, jak se kvantový systém vyvíjí v čase, musí zachovávat celkovou pravděpodobnost, která vždy činí jedna, a musí umožňovat, aby procesy byly reverzibilní. Jednoduše řečeno, unitarita znamená, že informace a pravděpodobnost nemohou zmizet nebo se objevit z ničeho.

„Unitarita kvantové mechaniky je něco, co se studenti fyziky učí. Formalismus kvantové chromodynamiky, teorie popisující svět kvarků a gluonů, je založen na unitaritě. Je však jedna věc zabývat se teorií, která vykazuje určitou vlastnost na úrovni kvarků a gluonů denně, a úplně jiná je pozorovat ji v reálných datech o produkovaných hadronech,“ poznamenává profesor Kutak. Dodává, že unitarita umožňuje extrahovat informace o entropii partonů v širokém rozsahu energií srážek.

Co nás čeká dál při testování modelu

Další testy zobecněného dipólového modelu se očekávají v nadcházejících letech. Po plánovaném vylepšení LHC bude vylepšený detektor ALICE schopen studovat oblasti, kde jsou interakce gluonů ještě hustší než ty, které byly dosud zkoumány. Další poznatky se očekávají také od Elektron-Ionového urychlovače (EIC), který se nyní staví v Brookhavenské národní laboratoři v USA. Na EIC budou elektrony srážet s protony. Protože elektrony jsou elementární částice, tyto experimenty nabídnou jasnější způsob, jak zkoumat husté gluonové systémy uvnitř jednotlivých protonů.